JP5221042B2 - 容量が変化する装置及び手書き入力機器 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサの容量を変えることによって、その容量の変化量を、受けた圧力の変化に反映させる装置に関し、電子機器の応用に関するものである。

電子機器、特に消費用電子製品の設計製造レベルの要求が高まり、ユーザーの要求が高まるにつれ、外界の物理量の変化を計測し、制御し、それらに対する応答を行う必要がある場合が増大している。その中の一種である圧力感応計測が、多くの技術領域、例えば、コンピュータの入力機器として使用される手書きペンに広く応用されている。使用者が手書きペンを使用する際、使用者の手書き入力における強弱等異なる状態での力の入れ具合を反映させるために、手書き入力中の力の変化を、それに関する機器又は応用ソフトに速かに反映させてモニタに即時に表示する場合に、圧力をリアルタイムでフィードバックする必要がある。

上記の目的と効果を達成するために、現在、様々な解決手段が提案されている。特に挙げれば、特開２００１−３１９８３１に記載された発明がある。この発明は、圧力計測装置に関するものであって、一つの誘電体が二つの端面を有し、一方の端面に二つの電極が配置され、他の端面に一つの可撓電極が配置されている。可撓電極とそれを設けた側の誘電体の端面との間には隙間が存しており、外力を受けた場合に、可撓電極と該端面との間を部分的に接触させ、その接触面積を相対的に変化させ、このように、相対的に変化させることで変化するコンデンサの容量の変化で、受ける外力の変化するパラメータを得ることを主な特徴とする。
特開２００１−３１９８３１ 特開平０４−０９６２１２ 特開平０５−２７５２８３

上記の技術には明らかな問題がある。一つの誘電体に二つの電極が接続されており、それはセラミックスコンデンサに相当するので初期値が存在し、可撓電極と誘電体とが接触し、その接触面積が変化した時、容量の変化量がこの初期の容量値を初期点及び最小値とし、実際に可撓電極と誘電体とが接触したばかりの時の容量値とこの初期容量値とは同じであり、変化量と初期値を区別できないので、計測・制御に多大の不便を与えており、製造レベルを向上させなければならないことを招来し、特に、機器の製造に対する要求が厳しくなる傾向を有する。また、特開平４−９６２１２に開示された類似の発明は、上記の技術と少し異なっており、初期値がゼロであるが、構造が複雑で、製造が煩雑であり、しかも、製品の信頼性が低下している。

本発明が解決しようとする課題は、外力作用の強弱による容量の変化量を感応して計測し、且つ明確なゼロ初期値があるとともに、一定の変化範囲内で容量が可変である装置を提供することである。

本発明は、容量が変化する装置を提供するものであり、該装置は、並列に配置され、間に離隔層を介在させて互いに離隔された第１の誘電体及び第２の誘電体と、第１の誘電体と第２の誘電体の同じ側であってそれらの一方の端面で第１の誘電体と第２の誘電体とそれぞれ接続される第１の電極及び第２の電極と、第１の誘電体と第２の誘電体の前記端面とは反対側の他方の端面に設置される弾性導電パッドと、第１の誘電体及び第２の誘電体と弾性導電パッドとの間に配置されるスペーサと、を含む。

好ましくは、上記の容量が変化する装置が、外力が印加されると前記弾性導電パッドに作用力を与えるコンタクトを更に含むことである。
好ましくは、第１の誘電体と第２の誘電体とは、鏡像対称に配置されることである。
好ましくは、上記の容量が変化する装置がハウジングを更に有し、第１の誘電体と第２の誘電体が、ハウジングの内壁に密着するようにハウジング内に設けられることである。
好ましくは、第１の電極と第２の電極の形状が、第１の誘電体と第２の誘電体の平面形状とそれぞれ略同じであり、第１の電極と第２の電極が、第１の誘電体と第２の誘電体との同じ側であってそれらの一方の端面にそれぞれ密着されることである。

好ましくは、離隔層内には低い誘電率の物質が充填されることである。
好ましくは、前記物質が空気であることである。
好ましくは、弾性導電パッドが、弾性導電材料から製造されることである。
好ましくは、スペーサが低い誘電率材料から製造されることである。
好ましくは、スペーサが円環状に形成されることである。
好ましくは、コンタクトの端面が、中央が高く、周りが低い突起形状に形成されることである。
好ましくは、コンタクトと弾性導電パッドとの間に弾性導電体が追加されていることである。
好ましくは、弾性導電パッドとスペーサとの間に弾性導電体が追加されていることである。
好ましくは、第１の誘電体と第２の誘電体が、高い誘電率材料から製造されることである。
好ましくは、第１の誘電体と第２の誘電体とで円形状に形成されることである。
好ましくは、コンタクトの突起形状が円錐状又はアーチ状に形成されることである。
また本発明は、上記本発明に記載の容量が変化する装置を含む手書き入力機器を提供することである。

本発明の有益な効果は、構造が簡単で、明確なゼロ初期値があり、感度が高く、計測の範囲が大きく、微小な変化を計測でき、計測や制御がし易くなることである。

以下、図面を参照しながら、本発明を更に詳細に説明する。
本発明に係る装置は、コンピュータの入力用の手書き機器に利用されるものである。本実施形態では、図１に示す装置を採用しており、それは、ペン筐体１と、ペン筐体１内に設けた回路板２と、ペン筐体１の先端から突出しているペン先３と、感応コイル４と、誘電体構造５とからなる。コンタクト５１がペン先３と一体に構成され、感応コイル４がコンタクト５１とペン先３との間に設けられている。

図２は図１に示す装置のＡ―Ａに沿って切断した断面図である。図３は図１に示す装置の本発明の誘電体構造の初期状態を示す縦断面図である。誘電体構造５は、コンタクト５１が接触する弾性導電パッド５２と、スペーサ５３と、第１の誘電体５４と、第２の誘電体５５と、第１の電極５６と、第２の電極５７と、離隔層５８と、ハウジング５９とからなる。

コンタクト５１の断面は、中央部が高く、周りに行くにしたがって低くなる突起形状に形成されている。その形状としては円錐状又はアーチ状であってもよい。コンタクト５１は、力を受けると弾性導電パッド５２の一端面に直接作用する。弾性導電パッド５２は弾性導電材料から製造され、外力を受けると変形し、外力がなくなると原形状に戻る材質で円盤状に形成されている。この導電パッド５２はスペーサ５３を介して第１、第２の誘電体の一面側に配置されている。弾性導電パッド５２のコンタクトが接触する側と反対側の端面には、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５が並列に配置されている。第１の誘電体５４と第２の誘電体５５とは、それぞれ高い誘電率を有する材料から製造される。両誘電体と弾性導電パッド５２との間にはスペーサ５３が取り付けられており、スペーサ５３は、低い誘電率の材料で製造される。好ましい実施形態において、スペーサ５３は円環状に形成される。当然に、スペーサ５３を、互いに離隔された二つのスペーサに分割するように設置してもよい。第１の誘電体５４と第２の誘電体５５とは、図示のように、半円形の形状のものが向き合わされて円柱状となるように形成されており、離隔層５８をその間に形成させて互いに離隔している。離隔層５８は、極めて低い誘電率を有する材質で形成させるが、空気を用いてもよい。すなわち、空気を間に置いて自然に離隔させてもよく、また低い誘電率の材料を充填してもよい。第１の誘電体５４と第２の誘電体５５は、その形状が対称に形成され、鏡像対称、例えば、半円状で円心が相対するように対向配置される、即ち、誘電体と電極とは離隔層５８と組み合わせて正円形状にされる。このように、本実施形態において、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５は、半円状又は略半円状である。第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の他の端面には、上記のように、それぞれ第１の電極５６と第２の電極５７が接続されている。図２に示すように、第１の電極５６と第２の電極５７の形状は、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の形状とそれぞれ略同じ又は相応しており、且つ、第１の電極５６と第２の電極５７は、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の端面にそれぞれ密着される。

第１の電極５６と第２の電極５７にはリード線又は導電体が接続されており、本発明の応用の一つ（図８参照）に示されているように、誘電体構造５の第１の電極５６と第２の電極５７が、一定の周波数の発振信号を共振でき且つ受信回路を介して発振信号を受信できる一つの共振回路に接続される。共振回路は、共振信号を受信することにより圧力の変化を計測できる。具体的には、第１の電極５６と第２の電極５７にキャパシタンス―インダクタンス発振回路、抵抗―キャパシタンス発振回路又は他の類似の発振回路が接続されて、容量の変化を発振周波数の変化に変え、その周波数値と対応する特徴を得ることができる。この周波数パラメータの変化に基づき、誘電体における電極での容量の変化量、即ち、ペン先３が力を受ける状況のフィードバックを得る。

更に、第１の誘電体５４及び第２誘電体５５と離隔層５８の良好な結合を保証するために、それらの外側には、それら同士を密着に組み合わせ、その組み合わせを強化・安定させるためのハウジング５９が設けられている。

本実施形態の具体的な応用過程は以下の通りである。
コンタクト５１とペン先３は一体に形成されているので、コンタクト５１とペン先３は常に同一の状態にある。ペン先３が外力を受けていない時を初期状態とすると、図１、図３に示すように、ペン先３と、コンタクト５１と、弾性導電パッド５２とは、何れも初期状態、即ち外力を受けていない状態にある。この時、離隔層５８は、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５をお互いに独立した状態に保っており、第１の電極５６と第２の電極５７との間の容量は、無視してもよく、初期値はゼロである。初期値がゼロである場合の弾性導電パッドと誘電体の端面の押圧状況を図５に示す。

図４は本発明の図１に示す装置の誘電体構造が外力を受けた状態を示す断面図である。ペン先３が押圧等による外力を受けた時、即ち、机の上又は他の平面にペンで手書きすると、変化する力による作用を生じ、ペン先３による力とその変化をコンタクト５１に伝達し、更に弾性導電パッド５２に作用して弾性導電パッド５２を変形させた後、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の端面に作用する。弾性導電パッド５２は、良好な導電体であるので、その変形によって互いに独立した状態にある第１の誘電体５４と第２の誘電体５５を、互いに部分的に連結させる、即ち、二つの誘電体を電気的に連通させ、第１の電極５６と第２の電極５７との間に容量値を生成させる。

図６は誘電体の端面と弾性導電パッドとが外力を受けた状態を示す断面図である。図４に示すように、弾性導電パッド５２が第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の端面を押圧し始めると、第１の電極５６と第２の電極５７との間には、最小の容量値が生成される。コンタクト５１が受ける作用力が大きいほど、弾性導電パッド５２の変形が大きくなり、弾性導電パッド５２が第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の端面を押圧することによる接触面積も大きくなる。図６に示す陰影部分の面積の大きさがこの接触面積の大きさを表示するものである。第１の電極５６と第２の電極５７との間の容量値もこれに従って大きくなり、やがて最大値まで達する。尚、この容量値はペン先への外力作用の変化に従って変化するものである。

上記過程は、可逆的なものである。即ち、外力作用が低減すると、弾性導電パッド５２に生ずる変形がそれに応じて小さくなり、第１の誘電体５４と第２の誘電体５５の端面への接触面積が相応して減少し、第１の電極５６と第２の電極５７との間の容量値もこれに従って小さくなり、最小値まで減少していく。外力作用が無くなった時、弾性導電パッド５２の弾力の作用下、初期状態に戻る。弾性導電パッド５２と第１の誘電体５４及び第２の誘電体５５との間は初期状態に戻るので、第１の電極５６と第２の電極５７との間の容量が初期値ゼロに戻る。

図７は本発明の誘電体構造５の他の実施形態の一部断面で表した正面図である。弾性導電パッド５２の弾性復元効果を強化・保証するために、コンタクト５１と弾性導電パッド５２との間に弾性導電体５２２が、弾性導電パッド５２とスペーサ５３との間に弾性導電体５３３が、それぞれ追加されている。

上記過程は、第１の電極５６と第２の電極５７との間の容量の大きさやその変化を計測し、且つ外力要因による変化の相互関係を得るように、反復進行する。

外力の変化に感応して、より簡便に計測するために、コンタクト５１が弾性導電パッド５２に作用する変形が直線性の傾向を示すように、コンタクト５１の端面を中央が高く周りが低い突起形状に形成する。尚、その形状としては略円錐状又はアーチ状であるのが望ましい。

以下、図８を参照しながら本発明の誘電体構造５の一つの応用例の構造及び原理を詳細に説明する。尚、この実施形態は、本発明中の誘電体構造５の応用例の一つの好ましい具体的な例に過ぎない。当業者は、本発明における容量が変化する装置である誘電体構造５が、容量の可変を必要とするあらゆる装置やシステムに応用できることは理解できるであろう。以下の好ましい具体的な実施形態は本発明の保護範囲を限定するものではない。

アクティブ共振発信コイルが安定な発振信号、例えば、正弦波や鋸歯波等を生じることは、当業者にとって想到し得ることである。本発明のコンタクトと誘電体構造５は可変コンデンサとみることができる。図８に示すように、誘電体構造５は、固定コンデンサＣ１と感応コイル又はインダクションコイル４と並列に接続されることによって、感応コイル４と誘電体構造５によって簡単な共振回路を構成できる。インダクタンスと容量値を適切に選択すれば、感応コイル４は、有効距離内で共振発信コイル６０が生成する発振信号に共振できるとともに、有効距離内に共振受信コイル６１を設置すれば、この共振信号を感応計測できる。そして、誘電体構造５即ち可変コンデンサの値が変化する時、共振回路の発振周波数も変化し、且つ変化の幅が容量値の変化と正比例に形成される。有効距離内に共振受信コイル６１と相応する受信コイル（図示せず）を更に設置すれば、この共振信号を受信できる。以上、誘電体構造５が外力を受けた状態とその容量の変化との関係を説明した。具体的には、この誘電体構造５を図８に示す回路構造に応用し、相応する外力と容量変化との関係を利用し、力を受ける状況を感応計測することができる回路とシステムを打ち立て、即ちコンピュータの手書入力における手書きペンに応用することができる。本発明は、構造が簡単で、感度が高く、極めて良好な応用価値を有するものである。

本願の範囲、適用性や配置は、本発明に例示された実施形態に限定されるものではない。逆に、実施形態に対する詳細説明は、当業者が実施できるようにするためのものにすぎない。本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲のみにて限定されるものである。もちろん、添付した特許請求の範囲に限定された本発明の思想及び範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能であることはいうまでもない。

容量が変化する装置の実施形態の概略図である。 図１に示す装置のＡ―Ａに沿って切断した断面図である。 図１に示す装置の本発明の誘電体構造の初期状態を示す縦断面図である。 本発明の図１に示す装置の誘電体構造が外力を受けた状態を示す断面図である。 本発明の誘電体の端面と弾性導電パッドとが外力を受けていない状態を示す断面図である。 本発明の誘電体の端面と弾性導電パッドとが外力を受けた状態を示す断面図である。 本発明の誘電体構造の他の実施形態の初期状態を示す断面図である。 本発明に係る誘電体構造を応用した回路構造を示す概略図である。

符号の説明

1：ペン筐体、２：回路板、３：ペン先、４：感応コイル、５：誘電体構造、５１：コンタクト、５２：弾性導電パッド、５２２：弾性導電体、５３：スペーサ、５３３：弾性導電体、５４：第１の誘電体、５５：第２の誘電体、５６：第１の電極、５７：第２の電極、５８：離隔層、５９：ハウジング。

Claims (14)

1. 並列に配置され、間に離隔層（５８）を形成させて互いが離隔される第１の誘電体（５４）及び第２の誘電体（５５）と、
   第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）の同じ側にあってそれらの一方の端面で第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）とそれぞれ接続される第１の電極（５６）及び第２の電極（５７）と、
   第１の誘電体（５４）及び第２の誘電体（５５）の前記端面とは反対側の他方の端面に設置される弾性導電パッド（５２）と、
   第１の誘電体（５４）及び第２の誘電体（５５）と弾性導電パッド（５２）との間に配置されるスペーサ（５３）と
   を含み、
   外力が印加されると前記弾性導電パッド（５２）に該外力に応じた作用力を与えるコンタクト（５１）であって、この作用力を受けた前記弾性導電パッド（５２）が前記第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）を電気的に接続して、前記第１、第２の電極（５６、５７）から前記外力に応じた信号を取り出し可能にした、コンタクト（５１）を更に含み、
   コンタクト（５１）の端面は、中央が高く、周りが低い突起形状に形成され、
   コンタクト（５１）の突起形状が円錐状又はアーチ状に形成される
   ことを特徴とする容量が変化する装置。
2. 第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）とは、鏡像対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
3. ハウジング（５９）を更に有し、第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）が、ハウジング（５９）の内壁に密着するようにハウジング（５９）内に設けられることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
4. 第１の電極（５６）と第２の電極（５７）の平面形状が、第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）の平面形状とそれぞれ同じであり、第１の電極（５６）と第２の電極（５７）が、第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）の同じ側であってそれらの一方の端面にそれぞれ密着されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
5. 離隔層（５８）内には第１の誘電体（５４）及び第２の誘電体（５５）の誘電率より低い誘電率の物質が充填されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
6. 離隔層（５８）が空気で形成されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
7. 弾性導電パッド（５２）が、弾性導電材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
8. スペーサ（５３）が、低い誘電率材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
9. スペーサ（５３）が、円環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
10. コンタクト（５１）と弾性導電パッド（５２）との間に弾性導電体（５２２）が追加されていることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
11. 弾性導電パッド（５２）とスペーサ（５３）との間に弾性導電体（５３３）が追加されていることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
12. 第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）が、前記スペーサ（５３）の誘電率より高い誘電率材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の容量が変化する装置。
13. 第１の誘電体（５４）と第２の誘電体（５５）が、円形状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の容量が変化する装置。
14. 請求項１−４に記載のいずれかの容量が変化する装置を含む手書き入力機器。

Images